II Надежность элементов РЭС по внезапным отказам
Интегральные микросхемы (ИМС)
Для разработчиков РЭС микросхемы являются, как правило, покупными изделиями, надежность которых при типовой схеме включения и определенных условиях испытаний должна приводиться в справочниках. В задачу потребителя входит определение поправочных коэффициентов. В ряде случаев, особенно для новых микросхем, справочные ИО отсутствуют. Тем более, если разработчик аппаратуры применяет микросхемы и микросборки собственного изготовления.
В настоящее время существует несколько моделей ИО ИМС. В их основе лежит одинаковый принцип построения, заключающийся в суммировании ИО корреляционно независимых элементов конструкции, различие состоит в характере этих элементов. Наиболее важным вопросом является учет корреляционных связей между ИО интегральных элементов. С этой целью вводятся коэффициенты неоднородности дефектов, рост которых означает ослабление корреляционных связей и наоборот. Каждая модель имеет свою предпочтительную область, в которой она дает наибольшую точность и наименьшую трудоемкость расчета.
На практике для покупных микросхем наиболее распространена модель
(2.1)
где 
- ИО тестовой ИМС, значение которой определено экспериментально; КС - коэффициент сложности ИМС, определяемый числом интегральных типовых элементов N;
Для удобства и простоты расчета в справочниках приводятся экспериментально найденные значения коэффициентов сложности 
(табл. 2.1) ,N – количество элементов.
Подчеркнем, что расчет по модели (2.1) позволяет найти ИО изделий в лабораторных условиях, для оценки надежности в условиях эксплуатации требуется использовать поправочные коэффициенты модели (1.5) (для ИМС в целом или ее элементов). В табл. 2.2 приведены данные об ИО 
некоторых покупных ИМС
Таблица 2.1
Коэффициенты сложности 
для различных групп ИМС
| Группа ИМС | Количество элементов | КС | Группа ИМС | Количество элементов | КС |
| Цифровые | 1-100 | 1,00 | Аналоговые | 1-50 | 1,00 |
| полу - | 101-1000 | 1,27 | полупровод- | 51-100 | 1,25 |
| првод- | 1001-2500 | 1,60 | никовые и | 101-150 | 1,40 |
| никовые | 2501-5000 | 1,95 | гибридные | 151-200 | 1,55 |
| ИМС | 5001-7500 | 2,15 | ИМС | 201-300 | 1,75 |
| 7501-10000 | 2,25 | 301-500 | 2,05 | ||
| 10001-25000 | 3,00 | 501-1000 | 2,50 | ||
| 25001-50000 | 3,70 | более 1000 | 3,00 | ||
| 50001-75000 | 4,15 | ||||
| более 75000 | 4,50 |
Таблица 2.2
Интенсивности отказов ИМС
| Серия и типономинал ИМС | Количество элементов |  ч-1
| Серия и типономинал ИМС | Количество элементов |
ч-1
|
| Микросхемы цифровые интегральные | |||||
| Серия КР134 | Серия К1500 | ||||
| КР134ЛА2 | 0,25 | К1500ВА123 | 0,105 | ||
| КР134ЛА8 | 0,25 | К1500ИД170 | 0,105 | ||
| Серия К1500 | Серия КР1506 | ||||
| К1500ЛП122 | 0,105 | КР1506ХЛ1 | 0,45 | ||
| К1500ПУ124 | 0,105 | КР1506ХЛ2 | 0,45 | ||
| Серия КР1531 | Серия КР1533 | ||||
| КР1531ЛА1 | 0,105 | КР1533ЛА1 | 0,105 | ||
| КР1531ЛА3 | 0,105 | КР1533ЛА2 | 0,105 | ||
| Серия К155 | Серия К155 | ||||
| К155АГ1 | 0,12 | К155ИД13 | 0,12 | ||
| К155АГ3 | 0,12 | К155ИД15 | 0,12 | ||
| Серия К155 | Серия К155 | ||||
| К155ЛА7 | 0,12 | К155ЛП11 | 0,12 | ||
| К155ЛА8 | 0,12 | К155ЛР1 | 0,12 | ||
| Микросхемы аналоговые интегральные | |||||
| Серия КР1005 | Серия КМ189 | ||||
| КР1005ПЦ4 | 0,05 | КМ189ХА1 | 0,11 | ||
| КР1005УЛ1А | 0,05 | КМ189ХА2 | 0,11 | ||
| Серия КР1012 | Серия КР1100 | ||||
| КР1012ГП1 | 0,5 | КР1100СК2 | 0,11 | ||
| КР1012ГП2 | 0,5 | КР1100СК3 | 0,11 | ||
| Серия КР1021 | Серия К1106 | ||||
| КР1021УР1 | 0,11 | К1106ХП1 | 0,25 | ||
| КР1021ХА1А,Б | 0,11 | К1106ХП2 | 0,25 | ||
| КР1021ХАЗ | 0,5 | Серия КР1108 | |||
| Серия К1107 | КР1108ПП1 | 0,11 | |||
| К1107ПВ2 | 0,5 | КР1108ПП2 | 0,11 | ||
| К1107ПВ3А,Б | 0,5 | Серия К1109 | |||
| Серия КР1107 | К1109КН1А,Б | 0,11 | |||
| КР1107ПВ1 | 0,385 | К1109КН2 | 0,11 | ||
| Микросхемы гибридные интегральные | |||||
| Микросхемы гибридные интегральные | К425НД2 | 0,21 | |||
| Серия К224 | К425НР1 | 0,21 | |||
| К224СА3 | 0,245 | К425УП1 | 0,21 | ||
| К425УТ1 | 0,21 | ||||
| Серия К284 | |||||
| К284КН1А,Б | 0,45 | Серия К427 | |||
| К284УД1А-В | 0,45 | К427ПА1 | 0,5 |
Пример 1. Определить ИО аналоговой интегральной микросхемы КР1012ГП1, состоящей из 687 элементов (табл.2.2) при эксплуатации её в наземной автомобильной аппаратуре при температуре окружающей среды 40оС.
В соответствии с формулами (1,5), (2,1) ИО микросхемы рассчитывается по модели 
с использованием соответствующих таблиц: по табл. 2.1 КС = 2,5; по табл. 2.2 
; по табл.1.2 
= 1,5; по табл. 1.3 Км = 1,46.
ИО микросхемы КР1012ГП1 в реальных условиях равна 
Микросборки (МСБ)
В настоящее время при расчете надежности МСБ применяются, в основном, два подхода. Первый подход аналогичен изложенному в разделе 2.1 для микросхем и заключается в применении поправочных коэффициентов сложности и эксплуатации к базовой ИО МСБ. Учитывая, что МСБ представляет собой гибридную ИМС собственного изготовления, в качестве базовой принимают среднегрупповую ИО для ГИС серийного производства l0=0,21×10-6 1/час в лабораторных условиях. С учетом этого модель ИО МСБ в реальных условиях имеет вид:
, (2.2)
где и 
- коэффициенты сложности и эксплуатации, определяемые соответственно по табл. 1.2, 2.1.
Второй подход основан на методике расчета надежности аппаратуры на дискретных элементах и заключается в суммировании ИО отдельных элементов с учетом электрического режима работы и условий эксплуатации [2].
Полупроводниковые приборы
ИО полупроводниковых приборов (ППП) рассчитываются коэффициентным методом по модели (1.5), при этом для отдельных видов приборов наряду с общими используются коэффициенты, отражающие их специфику. Модели всех видов ППП приведены в
табл. 2.4
В моделях таблици 2.4: 
– отражает режим работы прибора и зависит от электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды; 
– учитывает функциональное назначение прибора; 
– зависит от величины максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности рассеяния или току; 
– зависит от коэффициента нагрузки по напряжению 
по напряжению; 
– зависит от нагрузки по напряжению и температуры перехода для мощных транзисторов СВЧ; 
– отражает частоту и мощность в импульсе мощных транзисторов СВЧ.
Таблица 2.4
Модели надежности ППП
| Группа ППП | Модель ИО |
| Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки |  =0j·Кр·kФ·kДН·kНН·kЭ
|
| Транзисторы биполярные мощные СВЧ | = 0j· kФ·kНТ·kЧМ·kЭ
|
| Транзисторы полевые | = 0j·kФ·kЭ
|
| Тиристоры | = 0j· Кр ·kДН·kЭ
|
| Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные. диодные сборки | = j·Кр·kФ·kДН·kНН·kЭ
|
| Стабилитроны | = 0j·· Кр ·kЭ
|
| Диоды СВЧ | = 0j· Кр ·kЭ
|
Среднегрупповые ИО приборов 0 j приведены в табл. 2.5
Таблица 2.5
ИО отдельных групп ППП
| Группа ППП | 0j×106 1/час |
| Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ Транзисторы биполярные мощные СВЧ Транзисторные сборки Транзисторы полевые | 0,15 0,2 0,15 0,15 |
| Тиристоры | 0,23 |
| Диоды:- выпрямительные - универсальные - импульсные - столбы выпрямительные | 0,05 0,05 0,023 0,35 |
| - варикапы подстроечные - диодные сборки | 0,05 0,025 |
| Стабилитроны | 0,035 |
| Диоды СВЧ:- смесительные - параметрические - переключательные и ограничительные - умножительные и настроечные - генераторные | 0,73 0,28 0,18 0,75 0,16 |
В табл. 2.6-2.9 приведены значения коэффициентов КФ, КДН, КНН, КЧМ.
Таблица 2.6
Значения коэффициента Кф
| Группа ППП | Функциональный Режим работы | КФ | ||
| Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки | Линейный | 1,5 | ||
| Переключающий | 0,7 | |||
| Генераторный | 0,7 | |||
| Малошумящие приборы | ||||
| Высоковольтные приборы | 1,5 | |||
| Транзисторы полевые | Кремниевые | Линейный | 1,5 | |
| Переключающий | 0,7 | |||
| Генераторный | ||||
| СВЧ – диапазона | ||||
| Арсенидогалл-овые | Малошумящие приборы | |||
| Остальные типы приборов | 7,5 | |||
| Диоды выпрямительные, универсальные, мпульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные, диодные сборки | Линейный | |||
| Переключающий | 0,6 | |||
| Выпрямительный | 1,5 | |||
| Транзисторы биполярные мощные СВЧ | Импульсные усилители | Скважность >20 Скважность 3-20 Скважность <3 | 0,25 0,5 | |
| Усилители в непрерывном режиме | ||||
| Генераторы | ||||
Таблица 2.7
Значения коэффициента КДН
| Группа ППП | Нагрузка | КДН |
| Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сбоки, варикапы подстроечные | Максимально допустимая по ТУ рассеиваемая мощность, Вт, | |
| 1 | 0,5 | |
| >15 | 0,8 | |
| >520 | ||
| >2050 | 1,3 | |
| >50200 | 2,5 | |
| >200500 | ||
| Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, диодные сборки | Максимально допустимый по ТУ средний прямой ток, А, | |
| 1 | 0,6 | |
| >13 | 0,8 | |
| >310 | ||
| >1020 | ||
| >2050 | ||
| Тиристоры | Максимально допустимый по ТУ средний прямой ток, А, | |
| 1 | ||
| >15 | ||
| >525 | ||
| >2550 |
Таблица 2.8
Значение коэффициента КНН
| Группа ППП | Нагрузка по напряжению, % КнU | КНН |
| Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки | Отношение рабочего напряжения к максимально допустимому, %: | |
| От 0 до 50 | 0,5 | |
| 0,7 | ||
| 0,8 | ||
| 1,5 | ||
| Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные, диодные сборки | Отношение рабочего обратного напряжения к максимально допустимому, %: | |
| От 0 до 60 | 0,7 | |
| 0,75 | ||
| 0,8 | ||
| 0,9 | ||
Таблица 2.9
Значение коэффициента КЧМ для мощных биполярных транзисторов СВЧ
| Частота, МГЦ | Мощность в импульсе, Вт | ||||||||
| >1 | 1-5 | ||||||||
| 200-400 | |||||||||
| 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | ||||||
| 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | ||||||
| 4000 и более |
Коэффициент 
для рабочих температур перехода tП от 100 до 200°С и отношений рабочего напряжения между коллектором и эмиттером 
к максимально допустимому 
от 0,4 до 0,55 рассчитывается по моделям:
- для металлизации алюминием:
при 
, (2.5)
при 
; (2.6)
- для системы металл – золото:
при 
, (2.7)
при 
(2.8)
Пример 2. Определить ИО импульсного диода КД521А в режиме переключения при эксплуатации его в корабельной аппаратуре при электрической нагрузке по току 
=0,5, по напряжению =0,4, температуре окружающей среды 40оС и влажности 90%.
В соответствии с формулой (1,5) и данными табл.2.4 ИО диода рассчитывается по модели 
Значения коэффициентов модели находят из соответствующих таблиц: по табл. 1.2 Кэ=2; по табл. 1.3 
=1,37; 
=2,5; по табл. 1.4 =0,195 при t 
=40оС, =0,5; по табл. 2.5 
; по табл. 2.6 =0,6 в режиме переключения; по табл. 2.7 
=0,6 при 
а (максимальное значение прямого среднего тока через диод); по табл. 2.8 =0,7 при =0,4
ИО импульсного диода КД521А в реальных условиях равна
Конденсаторы
Модели для расчета значений эксплуатационной ИО отдельных групп конденсаторов приведены в табл. 2.10
В моделях таблицы 2.10: КC – коэффициент, определяемый номинальной емкостью конденсатора, КПС – коэффициент, зависящий от величины последовательного активного сопротивления в схеме между конденсатором и источником питания, для оксидно – полупроводниковых конденсаторов, КТ – коэффициент, зависящий от температуры окружающей среды.
Таблица 2.10
Модели ИО конденсаторов
| Группа конденсаторов | Вид модели |
| Постоянной емкости: тонкопленочные с неорганическим диэлектриком | = 0jКР КЭ
|
| Керамические Стеклокерамические Слюдяные Оксидно – электролитические алюминиевые (кроме импульсных) C органическим синтетическим диэлектриком: - низковольтные - высоковольтные постоянного напряжения - бумажные |
= 0j КР КCКЭ
|
| Оксидно – полупроводниковые | =0j КР КCКПС КЭ
|
| Оксидно – электролитические алюминиевые импульсные С органическим синтетическим диэлектриком импульсные |
= 0j КР КСКТ КЭ
|
| Подстроечные: с твердым диэлектриком |
= 0j КР КЭ 0
|
ИО конденсатора0j приведены в табл. 2.11
Таблица 2.11
ИО конденсаторов
| Группа приборов |  , 
|
| Постоянной емкости: Керамические на номинальное напряжение менее 1600В. | 0,006 |
| Керамические на номинальное напряжение не менее 1600В. | 0,075 |
| Оксидно–электролитические алюминиевые (кроме импульсных) | 0,025 |
| Оксидно-полупроводниковые | 0,01 |
| С органическим синтетическим диэлектриком, низкочастотные | 0,005 |
| Бумажные | 0,0025 |
| Подстроечные: c твердым диэлектриком | 0,01 |
Коэффициент КТ находится по моделям:
-для оксидно – электролитических алюминиевых конденсаторов
, (2.9)
- для конденсаторов с органическим синтетическим диэлектри- ком, импульсных
. (2.10)
Модели или значения коэффициента КС представлены в табл. 2.12
Таблица 2.12
Модели коэффициента КС
| Тип конденсатора постоянной емкости | Модель КС |
| Керамические и стеклокерамические | КС = 0,4С 0,12 (С в пФ) |
| Слюдяные | КС = 0,4С 0,14 (С в пФ) |
| Оксидно-электролитические алюминиевые | КС=1 при С 103 мкФ КС=2 при 103 мкФ<C22103 мкФ КС = 2,5 при С>22103 мкФ |
| Оксидно-полупроводниковые | КС = 1 |
| С органическим синтетическим диэлектриком и бумажные | КС = 1,0С 0,05 (С в мкФ) |
Коэффициент 
находится по табл. 2.13
Таблица 2.13
Значение коэффициента КПС
| Нормальное Напряжние, В | Рабочая
Темпиратура,
 C
| КнU | Значение КПС при отношнии R/U, Oм/В | ||||||
 <0,1
|  0,1
<1
| 1
<2
| 2
<3
| 3
| |||||
 6,3
| 85
| 1
| |||||||
| >85 100
| 0,7
| ||||||||
| >0,7 | 3,5 | 1,6 | 1,35 | 1,2 | |||||
| <100 125
| 0,5
| ||||||||
| >0,5
0,7
| 1,4 | 1,2 | 1,1 | ||||||
| >6,3
16
| 50
| 1
| |||||||
| >50 85
| 0,7
| ||||||||
| >0,7 | 2,5 | 1,5 | 1,25 | 1,125 | |||||
| >85 100
| 0,7
| ||||||||
| >0,7 | 1,8 | 1,4 | 1,2 | ||||||
| >100 125
| 0,5
| ||||||||
| >0,5
0,7
| 1,8 | 1,4 | 1,2 | ||||||
| >16 | 50
| 0,7
| |||||||
| >0,7 | 1,4 | 1,2 | 1,1 | ||||||
| <50 85
| 0,5
| ||||||||
| >0,5
0,7
| 1,4 | 1,2 | 1,1 | ||||||
| >0,7 | 1,8 | 1,4 | 1,2 | ||||||
| >85 100
| 0,4
| ||||||||
| >0,4
0,7
| 1,8 | 1,4 | 1,2 | ||||||
| >0,7 | 1,5 | 1,25 | |||||||
| >100 125
| 0,3
| ||||||||
| >3
0,5
| 1,8 | 1,4 | 1,2 | ||||||
| >0,5
0,7
| 1,5 | 1,25 | |||||||
Пример 3. Определить ИО керамического высоковольтного конденсатора емкостью С=1000 пФ, эксплуатируемого в стационарном телевизоре при номинальном напряжении 
, нормальной влажности и температуре t =40°C.
В соответствии с формулой (1.5) и данными таблицы 2.10 ИО конденсатора рассчитывается по модели
Значения составляющих модели находят из соответствующих таблиц: по табл 1.2 
=1; по табл 1.3 
=1, 
=1; по табл 2.11 
=0,075 
( 
); по табл 1.4 К=1.7 при t =40°C, =U/U 
=1;по табл 2.12 =0.4С 
=0.41000 =0.9.
Резисторы
Модели ИО резисторов приведены в таблице 2.14.
Таблица 2.14
Модели ИО резисторов
| Группа изделий | Вид моделей |
| Резисторы постоянные непроволочные металлодиэлектрические | 
|
| Резисторы постоянные непроволочные углеродистые. Резисторы постоянные проволочные и металлофольгированные. Резисторы переменные проволочные. Наборы резисторов |
|
| Резисторы переменные непроволочные | 
|
| Резистивные микросхемы | 
|
| Терморезисторы | 
|
В таблице 2.14, кроме вышеупомянутых и , использованы коэффициенты: 
- учитывает номинальное сопротивление, 
- учитывает номинальную мощность рассеяния, учитывает нагрузку по напряжению . ИО резисторов приведены в таблице 2.15.
Таблица 2.15
ИО резисторов
| Группа приборов |  106,
|
| Резисторы постоянные непроволочные | 0,005 |
| Резисторы постоянные проволочные и металлофольговые: нагрузочные, прецизионные, особостабильные и металлофольговые | 0,01 |
| Резисторы переменные непроволочные | 0,005 |
| Резисторы переменные проволочные: подстроечные, регулировочные | 0,015 |
| Терморезисторы | 0,015….0,010 |
| Наборы резисторов | 0,01 |
| Резистивные микросхемы | 0,005 |
Таблица 2.16
Значения коэффициента KR.
| Тип резисторов | Диапозон сопротивлений | KR |
| Резисторы постоянные непроволочные: металлодиэлектрические | R<1 кОм | 1,0 |
| 1 кОм<R<100 кОм | 0,7 | |
| 100 кОм R<1 МОм
| ||
| R МОм
| 0,6 | |
| -углеродистые | R 100 кОм
| 0,5 |
| 100 кОм R 1 МОм
| 2,7 | |
| R>1 МОм | 0,7 | |
| Резисторы постоянные проволочные: -нагрузочные | R 1 кОм
| 1,3 |
| 1 кОм<R 10 кОм
| 0,8 | |
| 10 кОм<R 100 кОм
| 1,5 | |
| -прецизионные, особостабильные и металлофольговые | R 1 кОм
| 1,6 |
| 1 кОм<R 10 кОм
| 0,6 | |
| 10 кОм<R 100 кОм
| 0,4 | |
| 100 кОм<R | ||
| Резисторы переменные непроволочные:-керметные | 10 Ом<R 100 Ом
| 1,6 |
| 100 Ом<R 330 Ом
| 1,4 | |
| 330 Ом<R |
Таблица 2.17
Значение коэффициента
| Номинальная мощность, Вт |
|
| 0,062…0,5 1…2 5…10 | 0,7 1,5 4,5 |
Таблица 2.18
Значение коэффициента
|
|
|
0,1  КU 0,8
0,8 КU 0,9
0,9 КU 1,0
| 1,0 1,05 1,2 |
Пример 4. Определить ИО металлодиэлектрического резистора С2-23 номинальной мощностью 0,125 Вт и сопротивлением 10 Ом, эксплуатируемого на судах , при 
=25 
, влажности 90% и мощности 0,1 Вт.
В соответствии с формулой (1,5) и данными табл 2.14 ИО резистора рассчитывается по модели
Значения составляющих модели находят из соответствующих таблиц: по табл.1.2 
; по табл. 1.3 
, 
; по табл. 1.4 
при t =25 
; по табл. 2.15 
; по табл. 2.16 
для R<1 кОм; по табл. 2.17 
при номинальной мощности 0,125 Вт. ИО резистора в реальных условиях равна
Радиокомпоненты
В число радиокомпонентов (РК) включены коммутационые,
установочные изделия и трансформаторы.
Модели ИО РК представлены в табл. 2.19.
Таблица 2.19